復合材料對電動汽車振動噪聲的優化研究

摘" 要：為優化某電動汽車的振動噪聲性能，該文著重分析用阻尼復合材料代替電驅總成原有的ADC12材料控制器蓋板的可行性和有效性。試驗研究表明，更換阻尼復合材料蓋板后，該電動汽車車內22階噪聲在部分頻率段降低3 dB（A）左右，48階噪聲在部分頻率段降低10 dB（A）左右。因此，選用新型復合材料來降低新能源汽車的振動噪聲是一種有效措施。

關鍵詞：復合材料；電動汽車；振動噪聲；優化；控制器蓋板

中圖分類號：U469.72" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00７１-0４

Abstract： In order to optimize the vibration and noise performance of an electric vehicle， this paper focuses on the feasibility and effectiveness of replacing the original ADC12 material controller cover plate of the electric drive assembly. The experimental study shows that after the replacement of the damping composite cover plate， the noise of order 22 is reduced by about 3 dB（A） in the partial frequency segment， and the noise of order 48 decreases by about 10 dB（A） in the partial frequency segments.Therefore， it is an effective measure to choose new composite materials to reduce the vibration and noise of new energy vehicles.

Keywords： composite materials; electric vehicle; vibration and noise; optimization; controller cover plate

隨著汽車工業的發展，人們對汽車的要求早已不僅僅是實現基本的運輸功能，而越來越追求更舒適的駕乘體驗[1-3]。為了實現更好的駕乘體驗，汽車振動噪聲的控制就顯得尤為重要[4-5]。新能源汽車以電驅動系統取代了內燃機汽車的變速箱與發動機，兩者有著完全不同的振動噪聲特性[6-8]。近年來，針對新能源汽車的振動噪聲問題，海內外學者做了很多研究。馬敬等[9]對某純電動汽車驅動系統24階振動噪聲進行了分析與優化，提出了扭矩優化的詳細方案，有效地降低了低速工況下電機系統的24階振動噪聲。趙敏等[10]對某新能源汽車電驅總成噪聲進行優化，采用基于試驗與CAE分析相結合的方法，通過采用對激勵源優化、控制策略調試、傳遞路徑優化和加聲學包隔阻等措施，顯著地降低了電驅總成在各工況的噪聲。然而，目前大多數研究人員將重心放在了新能源汽車振動噪聲問題的原因和產生機制等方面[11]。在研究振動噪聲問題時很少考慮傳遞路徑，這是一個存在的問題，應該引起研究者們的關注和重視。

目前研究者的一些研究成果表明，復合材料在抑制振動噪聲等方面具有比較出色的性能。在軍工、家居等行業目前已經有應用與研究。高龍等[12]對阻尼復合材料板的減振降噪機理做了系統闡述，并將其應用于電機總成的減振降噪，臺架測試數據表明使用阻尼復合材料具有不錯的減振降噪效果。李濤等[13]從減振降噪機理的角度對減振板材做了深入分析，并將其應用于大型船舶的噪聲控制，取得了十分顯著的降噪效果。目前，對于電動汽車電驅總成的減振降噪研究在工程上還很少見復合材料的批量應用案例。本文首先對電動汽車振動噪聲的產生機理及傳遞路徑進行分析，然后對某復合材料的減振降噪機理進行深入研究，并將其應用于電驅總成控制器上蓋板。

1" 振動噪聲產生機理

電動汽車電驅總成是車內振動噪聲的主要來源，其主要由減速器、電機控制器、電機等組成。電驅總成的振動噪聲主要由3部分組成，由電機控制器開關器件非線性特性導致的電磁開關噪聲，減速器齒輪嚙合產生的機械噪聲，電機電磁激勵導致的電磁振動噪聲。電驅總成振動噪聲主要有2條傳遞路徑，一是通過電驅系統金屬外殼向外輻射振動能量，最終聲音經空氣傳遞給車內乘員；另一條是經與電驅系統連接的金屬支架，再通過整車懸置及車身附件傳遞到車內。對于電機控制器而言，其用金屬制造的上蓋板與整個電驅系統的部件相比是最為薄弱的位置，因此其固有模態頻率較低，是電驅系統主要向外面輻射振動能量的部件。行業內常采用價格低廉的ADC12材料來鑄造電機控制器上蓋板。但是ADC12材料對振動能量的傳遞衰減較小，減振降噪效果并不理想。隨著新能源汽車產業和行業對電動汽車電驅系統振動噪聲和功率密度等指標的不斷提高，現在使用的ADC12鋁合金材料已經不能夠滿足新能源汽車的電驅動系統減振降噪新要求。

2" 復合材料電驅總成

應用約束阻尼復合材料控制器上蓋板的電驅總成如圖1所示。新蓋板與原ADC12材料蓋板厚度都為3 mm。

阻尼復合結構板材通常分為約束性阻尼結構和自由阻尼結構，其通過金屬材料與阻尼材料組合形成新的復合結構在一定程度上來提高最終材料的整體阻尼效果。自由阻尼結構是指直接在振動結構材料上涂覆一層具有較大損耗模量的阻尼材料，以實現降低振動噪聲的目的。在自由阻尼結構材料表面加上一層具有較高模量的金屬板材，就形成了約束阻尼結構。圖2為阻尼復合結構板材示意圖。

當用阻尼復合結構材料制造的電驅動系統的上蓋板產生彎曲振動時，所產生的振動能量可以迅速傳遞到牢固地涂覆在板上表面的阻尼材料上，從而造成阻尼材料與基體材料兩者之間的相互摩擦和錯動，因此就會不斷地拉伸和壓縮填充在其之間的阻尼材料。振動時阻尼材料會產生比較大的內部損耗，基體板材在振動過程中產生的能量基本上就轉化為熱能釋放在空氣中，這樣有效降低了基體板材的振動。另外，當約束阻尼結構在產生振動時，阻尼層和約束層都會被拉伸，使其變得更長。但是約束層被拉伸的長度與阻尼層相比較要遠遠小于其長度。因此約束層可以限制阻尼層的伸長量。當阻尼層被壓縮時，約束層會抑制阻尼層的變形壓縮，從而就會形成一種除壓縮拉伸變形以外的剪切變形。這種變形能夠大大增加振動能量的消耗，從而使得減振效果得到顯著提升。因此，從理論上來說，約束阻尼復合結構板材相比于一般的金屬材料，在減緩振動方面具有更好的效果[12]。

3" 整車測試研究

本文選取一款新能源汽車電驅動系統作為研究對象，該電驅動系統峰值功率為150 kW，采用8極48槽的永磁同步電機，搭載輸入軸22齒，總速比為10.89的單擋二級減速器。把該電驅總成裝車測試，在車內駕駛員右耳位置安裝麥克風采集車內聲音信號。駕駛員右耳麥克風安裝位置如圖3所示。

為了更直觀地評價電驅總成的振動噪聲水平，選擇在整車上測試全電門加速工況車內噪聲。分別測試ADC12材料上蓋板和復合材料上蓋板2種狀態的電驅動系統車內各3組噪聲數據，選取干擾較小的各一組測試數據進行對比分析。

ADC12材料上蓋板電驅總成車內噪聲頻譜如圖4所示。

從圖4可以看出，在1 200 Hz頻率以內存在明顯的共振帶。減速器22階噪聲在轉速1 000～10 000 r/min能量較大，對應頻率區間在350～3 600 Hz左右。電機48階噪聲在低速段800～3 000 r/min能量較大，對應頻率范圍在640～2 400 Hz左右。

復合材料上蓋板車內噪聲頻譜如圖5所示。

從圖5可以看出，換復合材料蓋板后原1 200 Hz以內的共振帶消失。減速器22階噪聲能量在轉速1 000～6 000 r/min較ADC12材料蓋板有所改善；電機48階噪聲在低速段800～3 000 r/min較ADC12材料蓋板明顯改善。

為了更清晰地對比2種材料蓋板電驅總成的振動噪聲水平，把2種材料蓋板測試的車內噪聲頻譜圖的減速器22階和電機48階做階次切片分析比較，減速器22階階次線對比如圖6和表1所示，電機48階階次線對比如圖7和表2所示。

從圖6和表1可以看出，ADC12材料蓋板狀態電驅總成車內駕駛員右耳22階噪聲在1 200～6 000 r/min的RMS（噪聲均方根值）值達到42.44 dB（A），復合材料蓋板電驅總成車內駕駛員右耳22階噪聲在1 200～6 000 r/min的RMS值為39.8 dB（A）。復合材料蓋板較ADC12材料蓋板22階車內噪聲在該轉速段減少了3 dB（A）左右。不過，復合材料蓋板較ADC12材料蓋板22階車內噪聲在6 000 r/min以上轉速段無明顯改善。換上復合材料蓋板后，車內22階噪聲在6 000 r/min以內多個能量峰值點消失，這是因為換上復合材料蓋板后，多個模態共振點消失，從而減弱了振動能量，進而減小了經蓋板輻射的噪聲能量。

從圖7和表2可以看出，ADC12材料蓋板狀態電驅總成車內駕駛員右耳48階噪聲能量在800～2 900 r/min的RMS值達到33.21 dB（A），復合材料蓋板狀態電驅總成車內駕駛員右耳48階噪聲能量在800～2 900" r/min的RMS值僅為23.56 dB（A）。復合材料蓋板較ADC12材料蓋板48階噪聲能量在該轉速段減少了10 dB（A）左右，降噪效果明顯。但復合材料蓋板較ADC12材料蓋板48階噪聲能量在2 900 r/min以上轉速段無明顯改善，且整體能量略有增大。換上復合材料蓋板后，48階噪聲能量在2 900 r/min以內多個峰值點能量下降，這主要是因為換上復合材料蓋后，2 000 Hz頻率以內多個共振點消失，蓋板振動減弱，從而通過蓋板對外輻射的噪聲能量減小。

通過以上測試數據分析可知，復合材料上蓋板較ADC12材料上蓋板有較好的減振降噪效果，其減振降噪頻率范圍主要為中低頻段600～2 500 Hz左右。

4" 結論

本文系統分析了電動汽車的振動噪聲能量傳遞路徑，并針對一款在研電動汽車的振動噪聲問題，從噪聲傳遞路徑方向，選用一種阻尼復合材料蓋板代替原ADC12材料蓋板。車內噪聲測試結果顯示，復合材料上蓋板對降低車內中低頻率段噪聲有較好的效果，車內22階噪聲在該頻率段降低了3 dB（A）左右，車內48階噪聲在這個頻率段降低了10 dB（A）左右。而且因為復合材料上蓋板改變了原來的模態頻率，與ADC12材料蓋板相比較，使用復合材料的蓋板使在2 000 Hz頻率以內多個共振點消失，進而使車內該頻率段對應的噪聲能量也明顯減弱。因此，選用新型復合材料來降低新能源汽車的振動噪聲是一種有效的措施。

參考文獻：

[1] 李沁逸，李俊泓，劉嘉林，等.電動汽車減速器NVH仿真研究與優化[J].機械傳動，2022，46（2）：107-113.

[2] 馬琮淦，左曙光，何呂昌，等.聲子晶體與輪邊驅動電動汽車振動噪聲控制[J].材料導報，2011，25（15）：4-8.

[3] 李全峰，劉世昌.運行工況下電動汽車內置式永磁同步電機振動噪聲源識別[J].噪聲與振動控制，2022，42（5）：194-199.

[4] 陳亞琴.周期頻率調制技術對電動汽車驅動電機振動噪聲影響研究[D].天津：河北工業大學，2020.

[5] 高鵬，孫汐彬，譚順樂，等.電動汽車用永磁同步電機電磁振動噪聲分析及優化[J].微電機，2019，52（12）：7-12.

[6] 江洪，徐建鋒，賴澤豪，等.變速器振動對純電動汽車車內噪聲的影響[J].機械設計與制造，2015（1）：48-51.

[7] 林巨廣，馬登政.電動汽車三合一驅動系統振動噪聲分析與優化[J].汽車技術，2021（3）：20-25.

[8] 李彬，鄧建交，牛文博，等.某純電動汽車電機嘯叫噪聲優化[J].汽車科技，2020（3）：48-53.

[9] 馬敬，黃偉，楊凡，等.某純電動汽車驅動系統24階振動噪聲的分析與優化[J].汽車電器，2019（3）：16-19.

[10] 趙敏，田蜀東，李杰，等.某新能源車電驅總成噪聲優化[J].汽車工程師，2019（10）：31-34.

[11] 張友國，馬天才，盧昕夕.新能源汽車電機控制器蓋板模態優化與振動噪聲[J].振動與沖擊，2022，41（14）：271-279.

[12] 高龍，毛鴻鋒，劉偉良，等.電動汽車電機總成振動噪聲改善研究[J].公路與汽運，2022（3）：5-7.

[13] 李濤，曲艷雙，周秀燕，等.復合材料老化性能影響因素的研究[J].纖維復合材料，2015，22（2）：22-25.